當N型材料與P型材料熔合在一起時形成PN結(jié)，從而形成半導體二極管。
在前面的文章中，我們分享了如何通過用少量銻摻雜硅原子來制造N型半導體材料，以及如何通過用硼摻雜另一個硅原子來制造P型半導體材料。
這一切都很好，但這些新?lián)诫s的N型和P型半導體材料本身很少，因為它們是電中性的。然而，如果我們將這兩種半導體材料連接（或熔合）在一起，它們以非常不同的方式合并在一起并產(chǎn)生通常稱為“ PN結(jié) ”的東西。
當首先將N型半導體和P型半導體材料連接在一起時，在PN結(jié)的兩側(cè)之間存在非常大的密度梯度。結(jié)果是來自施主雜質(zhì)原子的一些自由電子開始遷移穿過這個新形成的結(jié)，以填充P型材料中產(chǎn)生負離子的空穴。
然而，由于電子已經(jīng)穿過PN結(jié)從N型硅移動到P型硅，它們在負側(cè)留下帶正電荷的施主離子（ N D），現(xiàn)在來自受主雜質(zhì)的空穴遷移穿過在相反方向上的結(jié)連接到存在大量自由電子的區(qū)域。
結(jié)果，沿著結(jié)的P型電荷密度被帶負電的受主離子（N A ）填充 ，并且沿著結(jié)的N型電荷密度變?yōu)檎＿@種電子和空穴穿過PN結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移稱為擴散。這些P和N層的寬度取決于每側(cè)摻雜受主密度N A和施主密度N D的重量。
該過程來回繼續(xù)，直到已經(jīng)越過結(jié)的電子數(shù)量具有足夠大的電荷以排斥或防止任何更多的電荷載流子越過結(jié)。最終將發(fā)生平衡狀態(tài)（電中性情況），在結(jié)點區(qū)域周圍產(chǎn)生“勢壘”區(qū)域，因為供體原子排斥空穴并且受體原子排斥電子。
由于沒有自由電荷載流子可以停留在存在勢壘的位置，因此與遠離結(jié)的N和P型材料相比，結(jié)的任一側(cè)上的區(qū)域現(xiàn)在變得完全耗盡了更多的自由載流子。PN Junction周圍的這個區(qū)域現(xiàn)在稱為Depletion Layer。
半導體PN結(jié)
半導體pn結(jié)圖
半導體PN結(jié)的每一側(cè)的總電荷必須相等且相反，以保持PN結(jié)周圍的中性電荷條件。因此，如果耗盡層區(qū)域具有距離D，則因此必須在正側(cè)通過Dp的距離進入硅，并且負側(cè)的距離Dn給出兩者之間的關(guān)系：Dp * N A = Dn * N D 以維持電荷中性也稱為平衡。
半導體PN結(jié)距離
半導體pn結(jié)距離圖
由于N型材料已經(jīng)失去電子并且P型失去了空穴，所以N型材料相對于P型變?yōu)檎Ｈ缓螅诮Y(jié)的兩側(cè)上存在雜質(zhì)離子導致在該區(qū)域上建立電場，其中N側(cè)相對于P側(cè)具有正電壓。現(xiàn)在的問題是，自由電荷需要一些額外的能量來克服現(xiàn)在存在的屏障，使其能夠穿過耗盡區(qū)結(jié)。
這種由擴散過程產(chǎn)生的電場在結(jié)點上產(chǎn)生了“內(nèi)置電位差”，具有開路（零偏置）電位：
半導體PN結(jié)電位圖
其中：E o是零偏結(jié)電壓，V T是室溫下26mV的熱電壓，N D和N A是雜質(zhì)濃度，n i是本征濃度。
在半導體PN結(jié)的兩端之間施加的合適的正電壓（正向偏壓）可以提供具有額外能量的自由電子和空穴。克服現(xiàn)有的勢壘所需的外部電壓在很大程度上取決于所用半導體材料的類型及其實際溫度。
通常在室溫下，硅的耗盡層上的電壓約為0.6-0.7伏，而鍺的電壓約為0.3-0.35伏。即使器件未連接到任何外部電源，也會始終存在這種勢壘，如二極管所示。
跨越結(jié)點的這種內(nèi)置電位的重要性在于它反對穿過結(jié)的空穴和電子的流動，這就是它被稱為勢壘的原因。在實踐中，半導體PN結(jié)形成在單晶材料內(nèi)，而不是簡單地將兩個單獨的片連接或熔合在一起。
該過程的結(jié)果是PN結(jié)具有整流電流 - 電壓（IV或I-V）特性。電觸點熔合到半導體的任一側(cè)上，以實現(xiàn)與外部電路的電連接。所形成的電子器件通常稱為半導體PN結(jié)二極管或簡稱為信號二極管。
然后我們在這里看到，可以通過將不同摻雜的半導體材料連接或擴散在一起來制造PN結(jié)，以產(chǎn)生稱為二極管的電子器件，其可以用作整流器的基本半導體結(jié)構(gòu)，所有類型的晶體管，LED，太陽能電池，以及更多這樣的固態(tài)設備。
大約在半導體PN結(jié)的下一個教程中，我們將著重講述最有趣的應用程序的一個PN結(jié)是其在電路中的二極管使用。通過在P型和N型材料的每一端添加連接，我們可以產(chǎn)生一個稱為半導體PN結(jié)二極管的雙端器件，它可以通過外部電壓偏置，阻止或允許電流流過它。
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